浅埋偏压大跨度隧道（共8篇）
浅埋偏压大跨度隧道 篇1
摘要：针对某隧道开挖断面大、地质条件差、Ⅳ级、Ⅴ级围岩所占比例大等特点,施工过程中发生过塌方、地表沉降、溶洞、特大溶洞、软弱围岩收敛变形超限,分别采用针对性的综合处治措施,顺利通过了出口长大浅埋偏压地段,取得了十分满意的效果。
关键词：高速公路,浅埋偏压,软弱围岩,大断面隧道
1 工程概况
贵州省惠水至兴仁高速公路八标段林场隧道,位于贵州省紫云县浪风关林场境内。出口地势较平缓,有长约120 m浅埋地段,埋深约5.0 m～9.0 m。隧道通过段为山间狭谷斜坡,自然斜坡角约65°的陡坡狭谷地带上,出口为偏压地段。隧道出口山顶有一段走向与隧道走向基本相同的S309省道,是通往贵州省镇宁县和紫云县多个乡镇的主要公路通道,重载车辆多、客货车流量大。左线隧道全长1 146 m,右线隧道全长1 142 m,林场隧道是惠兴高速公路长大隧道之一。
2 工程地质特征
隧道通过地层为灰岩,围岩为Ⅲ级～Ⅴ级。左、右线隧道Ⅴ级围岩属洞口浅埋偏压段,洞口为崩坡积碎石土、强风化灰岩、泥灰岩、泥岩,深部为中风化灰岩、泥灰岩、泥岩构成,受构造影响自稳能力差,风化裂隙发育,岩体破碎,有溶洞,拱顶易产生坍塌,隧道开挖多呈滴状、线状渗水,雨季淋雨状渗水较普遍,局部有轻度涌水现象。Ⅳ级围岩由中风化灰岩、灰岩夹泥岩构成岩溶、裂隙较发育,拱部无支护时易小范围塌落,侧壁容易掉块。Ⅲ级围岩由中风化灰岩组成,岩体节理裂隙弱发育,洞内仅为潮湿或点滴状出水。围岩自稳能力较好,无支护时局部可能有小的掉块塌落。
3 设计支护参数
1)洞口Ⅴ级围岩浅埋段套拱、超前管棚注浆支护,管棚ϕ108×6 mm、长40 m、环向间距40 cm。洞身Ⅴ级围岩超前小导管ϕ42×4、长4.0 m、间距40×240 m,初期支护ϕ25中空注浆锚杆,长3.5 m,间距60×120,ϕ6.5钢筋网20 cm×20 cm,Ⅰ18钢拱架间距60 cm,C20喷射混凝土厚20 cm,二次衬砌C25钢筋混凝土厚50 cm。2)Ⅳ级围岩超前小导管ϕ42×4,长3.5 m,间距40×200 m,初期支护ϕ22药卷锚杆间距100×120 m,长3.0 m,ϕ6.5钢筋网25 cm×25 cm,Ⅰ14钢拱架间距100 cm,C20喷射混凝土厚20 cm,二次衬砌C25混凝土厚40 cm。3)Ⅲ级围岩ϕ22药卷锚杆初期支护,长2.5 m,ϕ6.5钢筋网25 cm×25 cm,C20喷射混凝土厚10 cm,二次衬砌C25混凝土厚35 cm。
4 工程特点
4.1 环保要求高
隧道位于贵州省紫云县浪风关林场境内。自然环境相对脆弱,特别是隧道施工,要严格做好水源保护,施工中必须做好各类环保设施,最大限度减小施工对环境的影响,将林场隧道建设成为绿色、环保工程。浪风关林场区域内,有大量的珍贵林木,隧道施工要对林场区域内的珍贵林木进行重点保护,防止对环境造成破坏。
4.2 不良地质多
根据隧道设计地质资料统计,左线隧道Ⅴ级围岩占18%;Ⅳ级围岩占46%;Ⅲ级围岩占37%。右线隧道Ⅴ级围岩占22%;Ⅳ级围岩占44%;Ⅲ级围岩占34%。隧道地质构造复杂,不良地质和特殊地质多,隧道Ⅳ级软弱围岩所占比例大,对超前地质预报、监控量测及施工过程控制要求高。
5 隧道开挖施工
根据隧道通过的地质条件及隧道的设计断面,洞身开挖根据围岩级别分别采用不同的开挖法。Ⅴ级围岩开挖采用台阶法、侧壁导坑法或预留核心土体开挖,开挖面积106.8 m2;Ⅳ级围岩开挖采用台阶分部法,开挖面积98.2 m2;Ⅲ级围岩开挖采用全断面开挖,开挖面积85.1 m2。
6 施工综合处治措施
结合林场隧道施工现场条件、总体工期和经济成本等方面综合分析考虑,林场隧道施工采取由兴仁(出口)往惠水(进口)单向掘进。隧道在施工过程中由于浅埋偏压和复杂多变的地质,施工中发生地表沉降、拱顶下沉、溶洞、特大溶洞、围岩收敛变形超限和塌方。本文就林场隧道施工中针对性地采用综合处治措施分别进行介绍。
6.1 塌方
隧道出口段上部是309省道,路面距隧道拱顶仅5.0 m～9.0 m,属洞口浅埋段Ⅴ级围岩。主要由碎石土、强风化泥灰岩、泥岩组成。受构造影响,围岩破碎松散,自稳能力差,隧道开挖多呈滴状、线状渗水,局部有轻度涌水现象。受地形条件影响隧道处于浅埋偏压状态,在隧道施工中边仰坡均出现了开裂及下沉现象。左洞施工至桩号ZK83+549.5～ZK83+539.5时,掌子面塌方,洞顶地表出现直径约7.0 m的塌穴,309省道路面也发生开裂。
6.1.1 双层加强超前小导管
ZK83+549.5～ZK83+539.5塌方段,在原设计的基础上增设6 m长ϕ42×4超前小导管,以度过塌方范围。导管采用钢花管,沿拱顶环向8 m范围布置,环向间距40 cm ,纵向4排,排距2.4 m,仰角40°～45°,注浆压力控制在0.5 MPa,用以加强对围岩的超前支护,增加围岩的稳定性,见图1。
6.1.2 临时钢支撑组、支护衬砌加强
ZK83+549.5～ZK83+539.5段采取Ⅰ20b钢支撑组临时加固,每3榀为一组,榀间距60 cm,组间距5 m,榀与榀之间采用Φ25钢筋连接,环向间距5 m;为了确保与初期支护的混凝土密贴,每组钢支撑采用C20喷射混凝土封闭喷平,喷射混凝土厚20 cm,待二次衬砌施工到此段后陆续拆除。初期支护工字钢由原设计的Ⅰ18变更为Ⅰ20b,纵向间距由原设计的60 cm变更为40 cm,锚杆由原设计60 cm×120 cm(纵×环)间距变更为40 cm×120 cm(纵×环),C20喷射混凝土厚度由原设计24 cm变更为26 cm。二次衬砌钢筋由设计Φ22变更为Φ25,二次衬砌混凝土由设计C25变更为C30。
6.1.3 洞内长(大)管棚
本段ZK83+525～ZK83+510发生塌方,塌坑14.6 m×11.4 m。掌子面围岩为炭质泥岩及黄色粘土,固结作用很弱,胶结质量差,结构非常松散,具有一定的塑性,受扰动时易发生缓慢的塑性变形,完整性及稳定性很差,隧道拱部及上覆残积粘土,掌子面有少量渗水现象,从塌坑来看,大部分为坡堆积体。该段处于浅埋偏压段,加之S309省道的影响,约束作用减弱,山体有开裂现象。
采用洞内超前大管棚处治方案,管棚起点里程为ZK83+525,管棚长度40 m,ϕ108×6 mm钢管,环向间距40 cm,共37根。为保证管棚施工角度,在管棚施工起点ZK83+525～ZK83+528纵向3 m管棚施工轮廓线范围超挖90 cm加大断面作为管棚施工工作面。ZK83+525～ZK83+528段初期支护采用Ⅰ20工字钢榀间距50 cm。为防止开挖后初支变形过大,决定在上导坑工字钢底脚处增设混凝土垫块,见图2。
6.1.4 双层钢拱架
ZK83+559～ZK83+553塌方段作初期支护和二次衬砌加强处理,工字钢由原设计Ⅰ18型单层变更为Ⅰ20b型双层,工字钢间距由原设计60 cm变更为40 cm,ϕ25中空注浆锚杆间距由原设计60 cm×120 cm(纵×环)变更为40 cm×120 cm(纵×环),C20喷射混凝土由原设计24 cm变更为44 cm,二衬钢筋主筋间距维持原设计不变,钢筋型号由Ф22变更为Ф25,二衬混凝土强度由原设计C25变更为C30,见图3。
6.2 地表沉降开裂
林场隧道左右洞掌子面分别施工至ZK83+543,YK83+565时,洞顶右侧山体出现开裂,受山体影响,左右洞洞内也伴随不同程度的下沉和开裂,施工及309省道运营受到严重影响。
6.2.1 洞外地表
对309省道采取改道处理,洞顶范围用碎石铺平并加盖3 cm厚钢板,以分散重载车辆的荷载,减少来往车辆给隧道造成的冲击破坏。
6.2.2 地表注浆
对塌坑及其周边3 m范围采取ϕ42×4,间距1.5 m×1.5 m钢花管注浆,钢花管呈梅花形布置。钢花管长5 m,注浆压力控制在0.2 MPa,注浆结束后3 d～5 d,再对塌坑分层夯实回填处理,回填至与地面线顺接后,再用50 cm厚粘土层对陷坑及周边开裂处进行封闭堵水。
6.3 溶洞、特大溶洞
右洞开挖至掌子面YK83+445洞顶出现溶洞,溶洞自掌子面向小里程方向延伸,溶洞周边岩体破碎、裂隙发育,裂隙内夹杂湿性黄褐色粘土,围岩自稳能力差,溶洞高度约6 m、纵向深度约11 m。左洞施工至掌子面ZK83+441时出现溶洞,溶洞从掌子面左侧向小里程延伸,溶洞宽约14.0 m～16.0 m、长约45 m～50 m、高度18 m～20 m。溶洞周边岩体破碎、裂隙较发育,且裂隙夹杂湿性黄褐色粘土,围岩自稳能力较差。
6.3.1 混凝土、吹砂回填溶洞空腔
在溶洞及其周边2 m范围内设置6 m长双层锚杆、纵向间距40 cm、锚杆入岩深度不小于3.0 m。钢拱架Ⅰ20b型双层,工字钢纵向间距40 cm。在溶洞空腔钢拱架上焊接铺设厚3 mm的钢板封闭并预留泵送管和通气孔,拱顶溶洞采用C20泵送混凝土进行回填,混凝土厚2 m,腔内采用吹砂工艺回填,见图4。
6.3.2 特大溶洞全套拱
隧道内特大溶洞采用C20混凝土全断面套拱防护通过;仰拱以下的溶洞全部用C20片石混凝土进行回填处理,Ⅰ20b工字钢双层钢拱架支撑、纵向间距40 cm,在溶洞空腔钢拱架外侧焊接铺设厚3 mm的双层钢板封闭用作套拱的模板,双层钢板层间距为70 cm,在双层钢板灌注C20混凝土,并预留泵送管和通气孔。在钢拱架外面施作隧道全断面套拱防护,套拱厚度70 cm。C20混凝土全断面套拱外吹填砂进行溶洞空腔回填,吹填砂至套拱顶高3.0 m左右即可,吹填砂既是套拱的保护层,又是溶洞坍塌和落石的缓冲层,见图5。
6.4 软弱围岩收敛变形超限
林场隧道右洞施工至掌子面YK83+565时,拱顶下沉加剧,YK83+610～YK83+580段收敛加快,部分区域累计收敛值达16 cm并仍在发展,初期支护也出现开裂现象。
6.4.1注浆加固
对YK83+610～YK83+580段左右侧采取42×4钢花管注浆,钢花管布置范围为:至高出隧道断面圆心1 m位置往下,按间距1 m×1 m梅花形布置,钢花管长6 m,与工字钢焊接以形成整体共同受力。注浆压力控制在0.5 MPa,增加围岩的稳定性。
6.4.2临时钢支撑、临时仰拱
YK83+610～YK83+580段采取Ⅰ20b钢支撑临时仰拱加固,每3榀为一组,榀间距60 cm,组间距3 m,榀与榀之间采用Φ25钢筋连接,钢筋环向间距1 m;为了确保与初期支护的混凝土密贴,每组钢支撑采用C20喷射混凝土封闭喷平,喷射混凝土厚20 cm。钢支撑支护施工中,应保证拱脚确实落于岩石之上充分接触,必要时可用钢楔楔紧。加快下导坑及仰拱施工进度,以使上下导坑初期支护尽早封闭成环,待上下导坑钢拱架封闭成环后拆除临时加固仰拱,同时要求下导坑及仰拱施工过程中应短进尺,早封闭。
7结语
林场隧道出口段口位于309省道下方的浅埋偏压地段,开挖断面大、地质条件差、Ⅳ级、Ⅴ级围岩所占比例大。隧道施工过程中发生的塌方、地表沉降、溶洞、特大溶洞、软弱围岩收敛变形超限。采取了不同的处治技术措施,取得了十分满意的效果。采取的技术措施合理可行,施工工艺成功且有效,能够保证工程质量和隧道的运营安全。林场隧道施工采取的一些成功技术处治措施,为大断面浅埋偏压软弱围岩隧道施工积累了施工经验。
参考文献
[1]中交公路规划设计院有限公司.林场隧道两阶段施工设计图[Z].2010.
[2]JTJ042-2000,公路隧道施工技术规范[S].
[3]程建军.蝴蝶谷隧道浅埋偏压段长大管棚施工技术[J].山西建筑,2010,36(12):305-306.
浅埋偏压大跨度隧道 篇2
关键词：浅埋；偏压；软弱围岩；隧道；施工技术
中图分类号：TU72 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0145-02
目前虽然我国隧道工程建设的技术水平显著提高，但是对于浅埋偏压软弱围岩隧道工程来说在施工的过程中仍然存在一些问题，经常由于施工方法选择错误和支护措施不当等问题造成二次换拱和塌方等问题，从而造成严重的施工安全事故，这不仅会导致资源的大量浪费，影响施工的进度，而且有可能造成严重的人员伤亡。在这种情况下，关于浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术的问题成为重要的研究课题，如何选择合适的工艺流程和施工技术，以降低浅埋偏压软弱围岩隧道施工的风险，提高隧道施工的效率已经成为各个隧道施工单位面临的重要问题。鉴于此，本文对这一课题的研究具有重要的现实意义。
1 工艺流程分析
1.1 工程概况分析
本次研究以某段高速公路隧道工程为例，此段隧道穿过山体自然冲沟范围，处于严重浅埋、偏压段，最小埋深只有0.8 m，岩石类型主要为片岩、泥灰岩、页岩等，并且存在很多裂缝，风化非常严重，再加上地下水较为发育，导致隧道围岩的稳定性非常差，如果不及时采取有效的措施进行固定，特别容易出现掉块、坍塌等问题，因此在施工的过程中存在极大的风险，对施工技术的要求较高。
1.2 工艺流程分析
由于此段隧道穿过了山体自然冲沟的范围，导致积水比较严重，根据这种情况，本次施工采取的进洞方案为早进晚出方案，以保障施工的安全性。在施工的过程中采用回填砼反压、套拱、垂直锚杆工法以及超前长管棚等施工方法，尽量避免对山体进行过多的扰动，提高施工的安全性。在整个施工的过程中，其中进洞套拱工艺是比较重要的一个施工环节，具体的工艺流程，如图1所示。
在浅埋偏压软弱围岩隧道施工中，最为关键的处理手段就是对围岩进行预加工，并着重消除偏压问题，具体的工艺流程，如图2所示。
2 施工技术分析
2.1 套拱施工技术分析
在本次施工当中，套拱施工采用的原理为“亲嘴”原理，首先需要在洞外设置一个类似明洞的暗洞，并逐步向洞内推进，至完全融入山体，在这个过程中采用的内膜支撑为工字钢架，在浇筑之前需要埋设直径为150 mm的钢管，从而为超前长管棚提供定位定向套管，然后利用规格为C25的混凝土进行浇筑，厚度保持在90 cm。最后，还需要在套拱砼两侧进行贫混凝土回填工作，以再次加强支护作用。
2.2 超前支护技术分析
在浅埋偏压软岩隧道工程中，超前支护施工是最重要的施工之一，也是整个施工的关键阶段。
首先，在隧道洞口采用直径为108 mm的热轧无缝钢管，并在长管棚中注入水泥单浆液，导管的长度为20 m，节长为4 m，在两节之间需要进行对焊。
其次，在洞身II类围岩地段需要采用直径为42 mm的无缝钢管短管棚进行支护，在管棚内需要注射水泥和水玻璃浆液，导管的长度约为4 m，环向间距为40 cm，呈梅花型布置。
2.3 开 挖
和一般的隧道工程开挖不同，浅埋偏压软岩隧道工程的开挖施工需要在超前支护注浆强度达到85%之后开可以开始，并且还要时刻保持警惕，采用预留核心土开挖方式，首先沿着隧道的轮廓线进行开挖，然后循环进行开挖，等到锚喷强度达到一定的强度之后才可以进行核心土的开挖。
2.4 围岩测量
在隧道施工的过程中，围岩测量是一个非常重要的施工环节，通过围岩测量可以更加全面的掌握围岩的动态，对围岩的稳定性做出正确的评估，从而确定最佳的支护方式，保证支护措施的合理性，提高施工的质量。
因此，在施工工程前和施工的过程中都需要对围岩进行测量，发现围岩存在的主要问题，并对相关的数据进行分析，根据施工的要求对支护参数进行修改，这样一来就可以提高支护的效果，有效防止在施工的过程中出现安全事故。
2.5 初期支护
在初期支护阶段，采用的支护方式为锚喷支护方式，即将型号为I16的型钢钢架使用直径为22 mm钢筋环相连接，其间距保持在50 cm，钢筋之间的距离为1 m。
对于系统锚杆来说，采用的钢筋直径为22 mm，长度为 350 cm，按照梅花的形式布置，其间距为80 cm。钢筋网采用直径为8 mm的钢筋组成，其间距为 20 cm*20 cm，然后利用型号为C25的混凝土进行喷射，其厚度为24 cm。
另外，在隧道施工的过程中，如果发现局部围岩出现变形的情况，为了增强支护的效果，则需要将出现变形地段靠山体一侧的系统锚杆更换，变为系统导管，导管的长度为450 cm，并注入水泥、水玻璃双浆液，为了提高注浆的质量，需要将注浆的压力控制在0.5～0.8 MPa之间。
2.6 防排水措施
防排水施工是隧道施工的重要组成部分，为了提高排水的效率和质量，需要沿着隧道的纵向每隔10 m环向设置一道直径为50 mm的软管，并且还需要在水管外铺设排水板。
另外，在边墙底部以上的1.2 m处还需要纵向设置直径为100 mm的软管，然后利用三通管将积水排除洞外。
为了提高防水的效果，需要在喷射混凝土的表面重新铺设复合防水板，并在每一道工作缝设置两条止水带，而其中需要使用的混凝土需要选择抗渗作用较强的混凝土。
另外，对于地下水比较活跃的地段，为了防止隧道受地下水的侵害，需要在施工中进行重点注意，坚持“以堵为主、排堵结合”的原则[1]。
2.7 衬 砌
为了提高隧道工程的施工质量，在整个隧道施工的过程中都采用偏压加强衬砌方式，并且在拱墙以及仰拱都使用双层的钢筋，混凝土的型号为C25，采用的衬砌方式为行走式全液压衬砌台车衬砌。
3 浅埋偏压软弱围岩隧道施工中应该重点注意的 问题
和一般的隧道施工相比，浅埋偏压软弱围岩隧道施工的难度更大，对施工技术的要求更高。因此，在施工的过程中需要注意更多的问题，主要包括以下几点：
①在隧道施工之前一定要对施工现场的情况进行认真的勘测，并在此基础上制定出科学而全面的施工方案，并积极采取有效的措施降低偏压问题对隧道工程的不利影响，保证隧道施工顺利进行。
②在工程开挖工作当中，一定要坚持开挖施工的原则，即超前支护、短进尺、弱爆破、勤测量、重排水和强支护。
③为了更好地发挥联合支护的作用，在施工的工程中要注意将超前支护和锚喷支护紧密的结合起来，同时还要将超前长管棚和短管棚与型钢钢架连接成为一个整体。另外，还需要及时的对隧道仰拱进行施工，以充分发挥锚喷支护和钢架支护的效果。
④在隧道施工的过程中一种要重视排水，并保证洞内文明施工，将由于各种原因导致的洞内积水及时的排出，防止隧道底部被水侵蚀[2]。
4 结 语
对于浅埋偏压软弱围岩隧道工程来说，由于对施工技术的要求较高，因此在施工之前一定要制定科学的、详细的施工方案，注意处理好偏压问题对工程施工造成的不利影响，重点做好支护工作，以保护围岩的稳定性，提高浅埋偏压软弱围岩隧道施工的质量，只有这样才能防止出现安全事故，保证工程顺利施工，促进我国隧道施工技术水平获得大幅度的提高。
参考文献：
[1] 陈虎.分析浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术[J].建筑工程技术与设计，
2015，（8）.
浅埋偏压大跨度隧道 篇3
一、施工理论
1.1 长大管棚
采用长大管棚的梁式支撑作用, 利用管内注浆以固结软弱围岩, 充填钢管与孔壁之间的缝隙。压浆使浆液通过注浆孔向周围围岩孔隙扩散并填充, 使围岩与管棚固结紧密, 形成整体结构, 具备钢筋混凝土结构抗压、抗弯、抗碎效果。
1.2 两台阶五步法施工原理
初步设计采用两台阶五步法施工方法, 全部采用机械开挖施工, 开挖过程中可尽量避免扰动周边岩层。从位移控制的角度看, 对控制拱部下沉变形的能力较强, 对围岩的扰动最小。
1.3 两台阶五步法施工的不足
通过审查地质勘探资料和对施工现场的观察分析, 我们发现采取上述施工方法, 可以使拱顶的沉降非常小, 但开挖困难, 主要表现以下两点:
1.3.1挖机在开挖“1部分”和“3部分”时, 隧道的外轮廓大约有30㎝开挖不到, 需要人工用风镐配合开挖, 不能充分发挥机械的性能, 施工效率非常低下, 这两部分每天的施工进度只能达到30㎝, 而且在接拱架时, 要分成3段来连接, 增加工作量及工作时间, 也增加了由人为造成的安全质量隐患。
1.3.2下半部分的机械开挖非常缓慢, 造成上、下部分钢拱架和初期衬砌不能及时封闭为整体, 致使上拱顶沉降和两侧收敛观测值偏大, 形成坍塌危险源。
1.4 施工方法优化分析
1.4.1根据钢拱架的设计间距为60㎝, 我们通过几次试验, 开挖间距从50㎝—90㎝, 每次递增10㎝, 通过沉降观测, 发现进尺60㎝—80㎝比较合适。首先, 机械开挖施工Ⅰ部分, 进尺60—80㎝, 安装一片钢拱架, 然后开挖Ⅱ部分, 连接好Ⅰ部分的钢拱架, 同时又可以再安装一片钢拱架, 开挖进尺为120—160㎝。按照120—160㎝的进尺循环开挖, 可以充分利用机械的性能, 不需要人工配合开挖, 而且简化了程序, 效率也非常高, 通过沉降观测, 发现效果很好, 能确保安全的需要。
1.4.2整个上断面开挖完10米后, 再对下断面的Ⅲ进行爆破, 连接Ⅰ部分已经安装好的钢拱架。改道后, 爆破Ⅳ部分, 闭合钢拱架, 下断面每次爆破的长度为2米左右。
1.5 两台阶四步法原理探究
改进后的两台阶四步开挖法掘进, 主旨是上断面Ⅰ、Ⅱ部分机械施工循环推进, 下断面Ⅲ、Ⅳ部分爆破施工, 及时封闭成环。
二、操作要点
2.1 长大管棚施工
2.1.1每钻进5m要复核钻孔的角度是否正确, 以确保钻孔方向。钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度, 发现偏斜超过设计要求, 及时纠正。
2.1.2长管棚注浆按劈裂注浆进行, 注浆采用自内向外分段注浆。注浆采用高强无收缩水泥浆, 注浆压力0.3MPa, 待浆液注满后保持稳定2—3分种, 并使压力值控制在0.3MPa。
2.2 两台阶四步法开挖
2.2.1啄木鸟机械从上台阶Ⅰ部分, 开挖扩大至轮廓线。考虑到钢拱架间距为60㎝, 进尺控制在80㎝左右, 然后安装型钢拱架, 一段支撑在预留的核心土上, 核心土大概为3米左右宽, 进行锚喷支护。再对Ⅱ部分进行开挖, 开挖进尺为Ⅰ部分的两倍左右, 即160㎝, 这样可以减少机械的周转次数, 而且安全也有保证。如果超过2米, 轮廓还要人工配合进行修整, 这样将降低效率, 按照设计方案施工就存在这个现象, 要一侧导洞进尺10米后, 再开挖另一侧导洞, 导致效率非常低下, 工期也会延长一倍。
2.2.2每榀钢架按上下台阶分拱、墙两次架成, 认真加固上台阶拱脚, 采用扩大拱脚、打拱脚锚杆、加强纵向连接, 使上部初期支护与围岩形成完整体系。钢架的拱脚或底脚不得置于虚碴上。
2.2.3这样一天可以保证进尺60㎝。我们预留的核心土到掌子面的距离为3—5米。在施工完上断面10米后, 对Ⅲ部分进行爆破施工, 每次进尺为2米, 经过监控量测, 发现对隧道顶的沉降影响很小, 完全满足规范要求。再把3品拱架连接起来, 按照设计和规范要求进行连接和锚固, 特别是拱、墙钢拱架法兰盘之间的螺栓连接应紧密牢靠。改道后, 同样施工Ⅳ部分, 完成闭合。
三、工后沉降观测数据
开挖中随时对岩性、结构面产状及支护裂缝进行观察, 每日两次对拱顶下沉和水平净空收敛进行量测, 绘制时间─位移曲线分析, 实测数据如下:
根据现场采集的周边收敛、拱顶沉降数据显示沉降量不足20mm, 收敛量不足150mm (原设计预留20cm沉降、收敛预留量) 。证明采用的两台阶四步法施工工艺, 大断面偏压软弱隧道围岩能够保持稳定状态。
四、施工效果
该段隧道在2008年9月18日开始施工, 2008年12月20日开挖初支施工完毕。与原设计二台阶五步法相比, 具有以下明显优势。
4.1工期方面
如果按照设计的施工方法, 当时在组织专家评审时, 考虑到本段隧道的特殊性, 都认同该方法。但经过我们一周的实践, 发现每天只能进尺30㎝, 44米则需要147天, 近5个月。而采用二台阶四步法, 每天可以进尺60㎝, 工期节省一半。按照我们实际开完工时间来算, 该段工期为94天, 节省53天。
4.2效益方面
仅仅上断面的开挖, 按照53天计算, 挖机和装载机的租赁费用按照每个月5万元计算, 此项就节约近9万, 如果算上管理费用每个月节约15万。此外, 还有拱架的数量和拼装次数、机械利用有效系数、人工配合开挖和下断面的开挖方法等, 一共可以节省成本约55万。也就是每米大约可节省投资1.1万元, 经济效益可见一斑。
4.3安全质量
本方法可以减少拱架的拼装次数, 从而可以减少人为因素和机械作业对初支和围岩的扰动次数, 确保拱架的拼装质量, 减少安全隐患。同时, 可以减少每次开挖的部分围岩之间的不平整, 减少初喷混凝土的使用量, 更好保证喷射混凝土的平整度, 为隧道防水层施工质量提供更好的保证。
五、结语
重庆轨道交通三号线一期工程洞口段隧道采用长大管棚技术、两台阶四步法施工工艺, 在偏压浅埋隧道施工中获得成功, 无论是安全、质量、进度都取得明显提高。
大跨度隧道洞口浅埋段施工法 篇4
1 工程概况
位于四川的某隧道, 全长6 600 m, 隧道最大埋深约1 080 m, 洞口段最小埋深约6 m。隧道所处位置地形有较大的起伏, 整个隧道全段的高差到1 000 m以上。本文以该隧道进口段作为研究对象。隧道所处位置有岩层断裂比较严重, 有较强的褶曲发育, 岩体多为破碎状, 节理发育丰富。而孔隙水以及上层潜水是该段地下水的形式。
2 隧道洞口段的施工方法
在浅埋隧道的洞口处进行施工过程中, 因为围岩十分破碎、地质和地形情况比较差, 在对洞口开挖的时候, 应该将对围岩造成的扰动降低到最小, 保证洞口处的岩体以及边坡的稳定性得到提升。而“早进洞、晚出洞”的原则是施工人员要必须遵循的, 对于洞口环境的保护也要到位, 尽可能的保持洞口处的原有地貌, 并且洞门在设计过程中要与周围的环境协调。遵循以上原则对隧道的洞口进行施工, 施工方法选择尽可能的满足这几个原则。
2.1 辅助工法的选择
该隧道洞口段岩体具有浅埋偏压较松散的特点, 而且边坡相对比较陡峭, 隧道进洞开挖的过程中, 易产生边坡坍塌, 地表沉陷等地质灾害, 隧道开挖跨度大, 更增加施工难度, 因此选择合适的辅助工法是保证隧道安全进洞的重要因素。
1) 钢管桩地表注浆。地表注浆是目前应用较为广泛的一种地层加固方法, 适用于地质水文条件复杂, 埋深浅, 节理发育或存在偏压的情况, 主要适用于亚黏土、粘性的砂土地层。其主要原理是通过向孔内注入水泥浆液, 水泥浆液在一定的压力下渗透到地层中, 从而对地下裂缝、空隙进行填充、挤密、加固等效果。同时可以加强土体的整体性, 避免土体发生剪切破坏, 而且能够实现堵水的目的。地表注浆可以满足不利条件下隧道的成洞, 使地表的沉降减小, 从而使地下水以及偏压对隧道洞口的开挖的影响降到最低。钢管桩注浆加固则主要是利用钻孔无缝钢管来进行地表注浆, 利用水泥浆液填充松散岩土体间的空隙, 使浆液包裹碎石, 并且与钢管共同形成有力的支撑骨架, 使松散岩土体固结为整体, 大大的改善了其稳定性;同时由于钢管又能深入稳定的岩层, 多根钢管利用浆液固结同岩层形成受力整体, 达到排桩地下连续墙的效应, 能有效地阻止岩体在偏压侧向应力作用下的侧向位移, 从而确保隧道施工与运营安全。在隧道的进口段用钢管桩地表注浆的方式进行施工, 采用的钢管桩直径为80 mm, 钻孔按照边长为1 m的正方形布置。注浆材料的要求如表1所示, 注浆的施工流程如图1所示。
2) 超前大管棚。一般情况下在隧道的洞口处设置管棚, 其是地层的安全以及稳定性保证措施, 使施工中造成的地表沉降得到控制。作为超前支护的一种重要辅助措施, 管棚对于大断面形式的隧道、隧道洞口的浅埋段以及一些不良地质环境下的隧道施工过程中比较适用。研究表明, 在隧道工程的施工中, 管棚对隧道的正常施工进行起到了良好的作用。管棚对拱顶围岩的应力释放能够起到有效的缓解, 实现对开挖造成的地表沉降的控制以及拱顶周围的围岩位移的限制, 进而保证隧道的洞口施工的安全性。隧道进洞口段采用的管棚长度L=40 m, 热轧无缝钢管规格为直径108×8 mm, 节长为6 m和9 m两种, 管棚的环向间距40 cm, 仰角设计为1°~3°, 双线铁路隧道断面施作范围为拱顶132°。管棚施工中用到的注浆材料的规格见表2, 管棚的布置示意图见图2。
2.2 隧道洞口段开挖方法的选择
大跨度隧道在进行洞口开挖过程中, 用到的方法根据隧道所处的工程地质条件不同也会有所差别。但是, 总体上来说, 洞口的施工都要先进行辅助工法施工, 然后按照三台阶法的要求分步进行开挖。常用的方法有CRD法或者是CD法、单 (双) 侧壁导坑法、超前导坑法等。其出发点是尽可能的减小断面开挖跨度, 通过临时支护或临时仰拱的方法, 尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构, 稳定洞室, 从而控制沉降, 控制围岩位移以及使结构的受力均匀, 形变小。
在浅埋偏压的地形条件下, 再加上地质条件差, 开挖跨度大, 在有要严格控制沉降的情况下, 双侧壁导坑法要优于其他开挖方法, 适用于三线或多线特大断面铁路隧道工程及地下工程。这种方法将隧道的大断面形式分割成一定数量的小断面, 并进行临时的支护、仰拱、顶面喷射混凝土等辅助施工, 从而保证有稳定的掌子面以及隧道洞口处的围岩控制, 实现隧道的安全施工。对浅埋软岩大跨度隧道开挖方法, 从围岩塑性区, 应力状态, 以及位移场分布规律看, 双侧壁导坑法优于CD法和三台阶法。而对浅埋偏压大跨度隧道, 双侧壁导坑法在控制周边位移, 地表沉降, 以及拱顶沉降等情况下比其他施工方法具有优越性。
该隧道洞口段围岩地质条件差, 又处于浅埋偏压地段, 隧道侧壁最低覆土厚度只有6 m, 洞口段开挖跨度15.22 m, 开挖高度达到约11 m, 开挖最大面积约为160 m2。隧道施工精度要求高, 施工质量等级高。只有在将沉降有效控制的前提下, 才能满足施工精度要求, 并保证施工质量。通过上节分析, 双侧壁导坑法能够有效的控制沉降以及周边位移, 因此, 在该隧道的洞口施工中将双侧壁导坑法作为施工方法。
2.3 双侧壁导坑法的施工流程
对大跨度的隧道采用双侧壁导坑方法, 施工的原理就是通过将大断面的开挖洞室进行有效的分割, 使其成为一个个小的洞室, 对小洞室进行开挖施工。每个洞室在施工过程中, 自身是一个封闭的施工个体, 要经过开挖、支护等环节, 这就使得这种方法对围岩的变形控制非常好。如果条件允许, 也可以通过模拟对隧道的施工进行指导。双侧壁导坑法开挖的示意图如图3所示。先对左导坑的上台阶 (1) 部进行开挖, 然后对其进行初期以及临时的支护施工; (1) 部施工结束后一定时间内对 (2) 部进行开挖, 并做支护处理;然后依次进行 (3) (4) (5) (6) (7) 部的开挖, 同样进行初期、临时的支护施工。
2.4 隧道洞口段施工过程
该隧道的洞口段所处的位置的地质地形条件比较复杂, 是一种比较典型的大跨度浅埋式的洞口形式。在洞口开挖以前, 要对洞口范围内做好截水、排水处理, 并对天沟进行有效的设置, 并且对边坡、仰坡的坡面做好防护工作, 地表的加固处理也要得当。大管棚以及导向墙施作后, 进行良好的临时支护, 然后对隧道的暗洞进行开挖, 施作一段暗洞后再施作洞口端墙以及洞口附属工程。
3 结语
文章结合工程实例, 对大跨度隧道浅埋洞口的施工过程进行简述, 包括辅助工法的选择、洞口开挖方法的选择、双侧壁导坑法的施工流程、隧道洞口段施工等施工方法, 希望能对大跨度隧道洞口浅埋段的施工提供参考。
摘要：以某隧道进口段施工作为研究对象, 从辅助工法的选择、隧道洞口段开挖方法的选择、双侧壁导坑法的施工工艺方面入手, 对大跨度隧道浅埋洞口的施工过程进行了论述, 以供参考借鉴。
关键词：隧道洞口,浅埋段,选择,方法
参考文献
[1]刘小军, 张永兴.浅埋偏压隧道洞口段合理开挖工序及受力特征分析[J].岩石力学与工程学报, 2011 (4) :39-40.
[2]赵光武.洞口浅埋和偏压段施工方法探讨[J].山西建筑, 2011, 37 (15) :169-170.
浅埋偏压大跨度隧道 篇5
关键词：隧道,大跨度,浅埋,软弱,大变形
1 工程概况
1.1 设计概况
沪昆客专长昆湖南段某隧道位于湘潭市银田镇, 进口里程为K46+535, 出口里程为DK46+965, 全长430 m, 为双线单洞隧道。隧道进、出口段为浅埋, 两端设明洞共长70 m。围岩级别为Ⅳ级、Ⅴ级软弱围岩, 围岩为灰岩、泥灰岩互岩:灰黑色, 强~弱风化, 隐晶结构, 薄~中厚层状构造, 节里裂隙发育, 断面处可见铁质侵染, 含少量高岭土, 岩芯呈短柱状、长柱状、饼状。
隧道DK46+820~DK46+909段为Ⅳ级围岩, 衬砌类型为Ⅳb, 开挖工法采用弧形导坑预留核心土法。隧道DK46+909~DK46+940段为Ⅴ级围岩, 衬砌类型为Ⅴb (浅埋) , 开挖工法采用大拱脚台阶法。
1.2 施工概况
隧道从进口单口掘进, 掌子面开挖支护至DK46+925时 (此时, 中台阶里程为DK46+915, 下台阶里程为DK46+894, 仰供里程为DK46+890, 拱墙二衬里程为DK46+867) , DK46+880~DK46+915段拱墙初期支护出现了变形下沉, 侵入二衬限界最大为26 cm。其后初期支护变形继续加大。为阻止变形加大, 项目部曾采取以下措施:
1) 对DK46+885~DK46+890左侧拱腰开裂处进行补喷混凝土;为稳定该段围岩, 早日将二衬跟进闭合成环, 间隔施作二次衬砌;
2) 对DK46+903预留电力洞室范围内的钢架每榀加设2根锁脚注浆锚管。
由于后续施作过程中遭遇连续雨水天气, DK46+885~DK46+890段纵向裂缝依然存在继续扩展现象, 洞内初期支护表面出现局部渗水, 初期支护混凝土剥落现象严重, 钢架存在扭曲变形及断裂现象;DK46+914处拱部出现环向裂缝, DK46+903处拱部环向裂缝亦存在继续扩大趋势, 裂缝宽度达到2.0 cm。同时, 在巡查山体地表时发现洞口山顶上出现多条裂缝, 并有局部错动现象, 裂缝自DK46+765~DK46+925段均有出现, 其中最大一道裂缝宽最大处达50 cm, 错动深度最大达50 cm。最后, 项目部停止隧道施工, 组织专家进行会诊并制定处理措施。
2 变形原因及处理措施
2.1 变形原因
1) 隧道出口端DK46+820~DK46+940段为浅埋偏压段, 该段洞顶覆土为15 m~20 m, 埋深较浅, 且客专隧道开挖断面较大, 开挖宽度达到15 m, 围岩自稳能力差, 隧道开挖的扰动引起山体内部受力情况改变, 极易造成坍塌或初支沉降变形过大。
2) 隧道DK46+820~DK46+940段围岩为灰岩、泥灰岩, 碳质灰岩互层, 强风化, 隐晶结构, 薄~中层状构造, 节理裂隙发育, 破碎, 含少量高岭土, 岩芯呈短柱状、长柱状、饼状;根据设计图纸描述, 在DK46+895处为岩层分化带分界线, 隧道洞内掘进时地质描述判定岩层是灰岩和泥灰岩互岩, 且层状厚度不均, 此种围岩遇水极易软化, 强度极低。
3) 隧道高度在地下水位稳压高程之间, 且山体地表为砂性碎石土, 空隙较大、极易渗水, 在经历连绵数天雨水天气之后, 雨水沿空隙及岩层间裂隙渗入山体, 致山体内泥岩、泥灰岩遇水软化、失稳, 产生蠕变, 同时因隧道开挖引起山体扰动, 最终引起山体自东北高处往西南低洼处错动。
2.2 变形处理措施
2.2.1 总体方案
1) 停止掌子面开挖, 对掌子面喷射混凝土封闭, 立即拆除防水板作业台车, 台车拆除完毕后开始反压回填, 同时对洞顶山体裂缝处施作砂浆防水层, 防止地表水的继续渗透。
2) 对DK46+876~DK46+915段进行反压回填, 回填高度为拱顶以下不大于5 m处, 回填采用隧道弃碴分层夯实, 反压回填处理期间, 安排安全员24 h进行监控, 发现异常情况立即撤离洞内反压回填作业人员。
3) 反压回填的同时对DK46+867~DK46+876段二衬进行施工。
4) 反压回填完成后, 对DK46+876~DK46+925加设临时支撑, 支撑采用Ⅰ22a工字钢;先施工水平支撑, 每榀钢架一道, 由洞外往洞内施工;水平支撑施工完毕后, 进行“米”字形支撑施工, 每2榀钢架一道, 从洞内往洞外施工。
5) 临时支撑完成后, 对DK46+876~DK46+925段回填以上部分初支背后进行径向注浆, 注浆施工由洞外往洞内进行, 注浆范围为开挖轮廓线外4 m。
6) 注浆完成并通过沉降观测稳定后, 对DK46+876~DK46+925段初期支护侵限段分段、分部由洞外往洞内逐榀拆除进行换拱。换拱段落初期支护钢架间距加密至0.5 m/榀, 锁脚锚杆每单元加设至6根。二衬参数仍按原设计执行。
7) DK46+876~DK46+925段围岩量测点加密至5 m一个断面, 按每天两次进行观测。
2.2.2 临时支撑保护
反压回填完成后, 对DK46+876~DK46+925段进行临时支撑, 采用Ⅰ22a型工字钢;先施工水平支撑, 每榀钢架一道, 从小里程往大里程方向施作;水平支撑施工完成后, 施作“米”字形临时支撑, 每2榀钢架一道, 从大里程往小里程方向施作。临时支撑各节点单元需焊接牢固, 相邻两榀横撑之间设置两道纵向Ⅰ22a型钢焊接。
临时加固形式见图1。
2.2.3 注浆加固措施
1) 径向注浆采用50 mm×3.5 mm小导管, 长4.0 m, 间距2.0 m (纵向) ×2.0 m (环向) , 梅花形布置。
2) 小导管安设采用钻孔打入法, 钻孔直径52 mm, 采用风钻开孔, 钻孔长度4 m, 注浆范围为隧道开挖轮廓外4 m。
3) 小导管安设后, 用塑胶泥或锚固剂封堵孔口及周围裂隙。
4) 小导管注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥, 水泥∶水=1∶1水泥浆 (重量比) , 注浆压力1 MPa~1.5 MPa。
注浆断面布置示意图见图2。
2.2.4 拱架置换
对由于初支侵限, 造成部分已施工地段需要换拱处理, 具体施作要求如下:
1) 上台阶注浆完成达到设计要求后, 根据净空测量的结果, 对该段从小里程逐环开始, 按照先拱后墙的顺序逐榀逐单元对每环侵限的拱架进行置换。
2) 置换前拆除一榀临时钢支撑, 开挖置换主要以人工风镐开挖为主, 尽量减少对围岩的扰动, 每次只能更换一榀拱架, 开挖预留变形量增加到15 cm。
3) 该段初期支护参数按原设计施工, 采用Ⅰ18工字钢, 钢架间距加密至0.5 m/榀, 钢架每单元锁脚锚管均加设至6根, 锁脚锚管采用4 m长φ42 mm小导管注浆加固。
4) 上台阶换拱施作至3 m后及时施作此段下台阶初支, 下台阶初支完成9 m后紧跟仰拱和二衬混凝土施工, 及时封闭成环。
5) 下台阶边墙两侧回填土开挖时需左右错开3 m, 开挖后立即对下台阶进行径向注浆加固;下台阶换拱需在注浆加固完成后方可进行。
3 结语
大跨度浅埋软弱围岩隧道施工极易引起初期支护的大变形, 导致初支侵入二衬, 为此在施工过程中可以通过一些措施加以预防:1) 加强超前地质预报, 及时掌握掌子面前方各种围岩状况, 采取针对性的超前支护措施, 并加大预留变形量;2) 隧道开挖后及时进行围岩量测及浅埋、洞口段的地表沉降观测, 发现变形数据异常, 及时加设临时仰拱并对围岩进行径向注浆加固;3) 严格控制开挖进尺, 仰拱及二衬及时跟进封闭。通过对沪昆客专长昆湖南段某隧道的初期支护大变形处理施工, 我们对大跨浅埋软弱地质围岩的初支变形原因及处理措施有了深入了解, 熟练掌握了换拱作业等相关的施工工艺及流程, 顺利完成了隧道的初支变形处理施工, 确保了隧道的安全、质量和工期。
参考文献
[1]铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册[M].北京:中国铁道出版社, 1999.
浅埋偏压大跨度隧道 篇6
双连拱隧道作为一种引入我国较晚的隧道结构型式, 其以占地少、影响公路线形小等优点在公路、市政道路中广泛应用[1]。特别是在临近市郊的高速公路或市政公路中, 由于征地拆迁较为困难, 且受城市规划的影响, 许多公路线形走向受其影响, 调整余地较小, 当需要以隧道形式通过某特殊区域 (如景区、厂区、上跨公路等) 时, 双连拱隧道可避免洞口路基分幅、减少征地拆迁、保持路线线性流畅、断面美观且对其上环境影响较小等优点就显得尤为突出。
双连拱隧道也有其自身的缺点, 主要集中在结构受力状态复杂、施工难度较大、施工工序复杂、工期较长等方面[2]。随着施工机械的发展、施工经验的积累以及施工工序的优化, 双连拱隧道在施工中的困难已经可以有效解决。较为重要的前提是有详实、科学的设计方案, 并对隧道结构本身及其围岩随施工进程的应力、应变发展变化有详细的计算分析, 根据具体的应力、应变计算结果选择相应的支护形式及支护时间, 并为隧道开挖施工提供指导意见[3]。因此, 分析隧道结构及围岩随施工开挖的力学响应分析是设计、施工甚至决策时的重要参考依据。
本文以某高速公路双连拱隧道为依托, 通过建立数值计算模型, 模拟隧道开挖及支护过程, 并计算了各施工步下的围岩、支护结构等的力学响应, 并分析隧道围岩的稳定性, 可为类似工程提供参考。
2 工程概况及设计情况
依托工程为双向6车道双连拱隧道, 隧道 (单洞) 路面净宽1.0+3×3.75+0.5=12.75m, 隧道 (单洞) 净宽14.96m, 隧道进出口桩号分别为K11+565、K11+835, 隧道处于下坡路段, 纵坡坡度1.1%。
隧道所处区域地形起伏较小, 隧道顶部有较明显的人工填土迹象, 且填土成分的差异较大, 人工填土以下分别为全风化砂岩、强风化砂岩和中风化砂岩, 整体结构较为松散, 强风化岩石较为破碎, 稳定性较差。根据地质勘察报告, 发现该层有较发育的软弱夹层, 厚度一般为3~11cm, 软硬不均, 夏季雨水充沛时, 强度较低, 秋冬干旱季较硬。综合考虑地下水情况, 地勘报告认为隧道进口段K11+565~K11+645、出口段K11+765~K11+835围岩为Ⅵ级, 隧道中间段K11+645~K11+765围岩Ⅲ级。洞顶埋深为6.1~14.9m, 属于浅埋隧道。
根据本隧道的具体设计情况, 隧道支护采用复合式衬砌, 根据勘察设计文件, 隧道设计的总体原则按新奥法原理设计, 以锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢架组成初期支护的联合支护体系, 以模板砌筑钢筋混凝土作为二次衬砌。具体设计参数为:初期支护, 格栅钢架间距0.75m, Φ6钢筋网20cm×20cm, Φ25锚杆, 长4.0, 间距1.0×1.0m, 喷射混凝土厚度0.3m;二次衬砌, 隧道四周均0.6m。
开挖方法采用侧壁导洞法, 进行隧道开挖。该施工方法的具体步骤为:
(1) 中导洞开挖、支护。
(2) 中隔墙浇筑, 中导洞回填。
(3) 两侧导洞内外侧上半部分开挖及支护。
(4) 两侧导洞内外侧下半部分开挖、支护, 中部上半断面的开挖及支护 (中部预留岩土体) 。
(5) 左右洞室中部预留岩土体的开挖。
(6) 左右洞中部下半部分开挖及支护。
(7) 拆除临时支护。
(8) 隧道左右洞进行二次衬砌。
3 隧道模型及计算参数
3.1 隧道模型
选取围岩等级较差 (Ⅵ级) 的段落中的某一断面进行建模计算, 本次计算选取断面为进口段, 具体桩号为K11+610。为避免边界条件对二维有限元计算的影响, 模型正式确立前, 对其进行了试算, 试算结果表明, 当隧道左右侧模型范围a大于40m时, 左右边界对计算结果没有影响;当隧道底部模型范围b大于18m时, 底部边界对计算结果无影响。因此, 最后选定模型范围为水平宽度为130m, 竖直高度为42m。确立取值根据地质资料, 本隧道穿越区段岩土层主要包括全风化砂岩、强风化砂岩、弱风化砂岩和微风化砂岩。计算模型采用三角形单元, 上部边界采用自由边界, 底部水平、竖直方向均约束, 两侧边界仅水平方向约束。
计算程序通过设置对应的施工步来模拟施工中的隧道开挖过程, 并模拟施加锚杆、衬砌等支护对隧道围岩的影响, 以期达到隧道开挖、支护施工全过程的目的[4]~[6]。模型计算网格划分图如图1。隧道断面尺寸图如图2。
3.2 计算参数
本次计算中, 计算材料采用的弹塑性 (平面应变) 本构模型、D-P屈服准则。隧道围岩、中隔墙砌筑体、中隔墙回填采用实体单元模拟, 施加的锚杆和初衬采用板单元模拟, 而二次衬砌则采用梁单元模拟, 在初衬和二衬之间的接触面上设置了接触面单元, 共划分了4886个单元[7]~[9]。由地质勘查报告及设计文件提供的参数, 计算中使用的各种材料的物理、力学参数见表1。
4 计算结构分析
4.1 应力分析[10]
建立上述模型后, 通过计算, 可得到各施工步的应力、应变、位移等数据。选取典型施工步下的隧道围岩竖直应力分布如图3所示。
由图3施工步1可知, 中导洞开挖并进行初期支护后, 在两侧墙角处出现了应力集中, 导洞附近围岩最大竖向应力出现在墙角, 大小为-565.5k Pa, 底部竖直应力由于导洞开挖后, 上部岩体未传递至此, 因此竖直应力较小;由图中施工步2可知, 在两侧导洞内外侧上半部分开挖及支护后, 此时中导洞已经回填, 中导洞两侧墙角处应力已经明显减小, 中隔墙最大竖向应力为-522.9k Pa。开挖面附近最大竖直应力集中在左右侧上半导洞的拱脚处, 左右侧成对称分布, 最大数值应力为-538.9k Pa;由图中施工步4可知, 在两侧导洞内外侧下半部分、中部上半断面的开挖及支护后, 最大隧道开挖面附近的最大竖直应力发生在中隔墙中部, 大小为-955.9k Pa, 较施工步2有较大增长, 这主要是因为中部上半断面开挖后, 其上岩土体有较大一部分的荷载将由中隔墙承担, 并转移至其下岩土体。需要注意的是, 两侧拱腰处的应力也有较大的增长, 达到了-586.5k Pa, 因此, 施工开挖时应及时施以初期支护, 避免拱腰处应力集中或超过岩体承载能力。另外, 中导洞两侧墙角处也有应力集中, 最大竖直应力为-638.3k Pa;拱底处应力较小, 主要原因是其上部岩体开挖后, 未有上部荷载需要其承担, 自身围岩应力随开挖逐步释放, 所以其竖直应力较小。
由图中施工步8可知, 在左右洞进行二次衬砌后, 衬砌支护已经成拱闭合状, 拱顶、拱底的应力均较小, 拱腰处应力较大, 最大数值应力出现在中隔墙, 虽然中隔墙整体竖向应力均较大, 但未见明显的集中。
鉴于以上分析可知, 隧道左右侧应力基本以中轴线对称分布。施加二衬后, 左侧洞室二衬轴力、弯矩如图4所示, 二衬轴力数值均大于0, 说明二衬各部位受力状态均为受压, 没有出现拉应力情况, 最大轴力发生在中部拱角处, 大小为578k N, 最大弯矩发生在外侧拱角处, 大小为-99k N·m。
4.2 洞周位移
随着隧道的开挖, 洞周及地表必定发生一定量的位移。实际施工中, 对位移监测、分析及预测是新奥法施工中的重要一项, 特别是监测数据显示位移发展趋势为发散状时, 必须停止施工, 排除隐患后方可继续施工。鉴于围岩及地表位移的重要性, 本次数值计算中, 对洞周位移的关键点位的位移进行了监测分析。关键点位分别取在两侧洞室的拱顶处 (1#、2#观测点) 、拱腰处 (3#、4#观测点) , 如图5所示。
各观测点随隧道开挖的沉降变化情况如表2所示, 1#、2#点对称分布, 各施工步观测到的位移大小基本相同, 没有出现位移突变情况, 施工步8完成后, 1#点位移大小为6.4mm。3#、4#点对称分布, 各施工步观测到的位移大小也基本相同, 没有出现位移突变情况, 施工步8完成后, 3#点位移大小为3.3mm。值得注意的是, 当施工步7完成后, 即初期支护拆除后, 洞顶沉降成倍增大, 说明拆除初期支护后, 各观测点的沉降发展较快, 施工中应重点关注, 对拆除方案要科学设计, 严格执行拆除原则, 当各观测点沉降发展较为迅速, 且绝对值也偏大时应及时施以二衬。
4.3 地表沉降
在计算结果中可以得到地表沉降及水平位移随隧道开挖施工的数值, 将施工完成后的地表位移 (沉降、水平位移) 绘制成曲线如图6所示。由图可知, 地表沉降影响范围大致为:以隧道中轴线两侧各30m左右, 沉降大小以中轴线对称分布, 最大沉降处发生在洞顶对应的地表处, 大小为-3.4m;地表水平位移则以中轴线对应的地表点 (图中为点x=64, y=0) 中心对称, 图中显示, 两洞室顶部对应的地表点之间的岩土体有向中间移动的趋势, 次两点以外的岩土体则均有向外侧移动的趋势, 这种趋势随着离两侧洞顶对应地表点的距离增大而逐渐减小。
4.4 塑性区分布
同应力分析部分, 屈服原则确定的情况下, 较大应力分布区往往就可能是塑性屈服区域。由计算结果, 部分施工步下的隧道模型塑性区分布如图7所示。随着隧道开挖施工, 施工步3完成后, 塑性区范围较小, 主要分布于中导洞侧墙中下部, 随着隧道开挖的进行, 每一施工步完成后, 塑性区分布总是在开挖部分的拱腰或拱角处, 施工步4完成后, 中部未挖除岩体的中部及中下部塑性区分布较多, 这是因为两侧导洞开挖后, 隧道上部岩体的自重应力通过两侧中部预留部分岩体和中隔墙承担, 因此其应力增大, 导致了塑性区较多。
施工全部完成后, 塑性区主要集中于中隔墙下部区域, 这可能是因为, 中隔墙作为主要的承担上部岩体重力, 并将其传递至其下岩体, 在传递过程中, 应力扩散一般遵循45°角扩散规律, 这与该位置塑性区分布完全吻合。这里需要注意的是, 若中隔墙下岩体屈服强度较低, 当开挖进行后, 大面积出现塑性区, 在施加二衬后仍继续扩大, 且连成片区时, 应重点分析其下岩体是否能够承受中隔墙传递的应力, 若计算失稳破坏, 则需先行对其下岩体进行加固处理 (如注浆、喷锚等) , 使其能够承受中隔墙传递的荷载。
值得注意的是, 数值模拟隧道开挖、支护的施工全过程中, 中隔墙处 (不含回填部分) 自始至终均未出现塑性屈服区, 这主要是因为, 中隔墙材料采用的是抗压强度较大的钢筋混凝土类材料, 其在整个施工过程中所受应力未达到其屈服极限值。实际工程中, 设计上应当满足中隔墙的任意部分均应处于非屈服状态, 且应有一定的安全系数, 中隔墙是双连拱隧道重要的受力部位, 其安全性直接影响整个隧道结构的安全。
5 小结
本文对连拱隧道在双侧壁导坑施工工序下的施工力学行为进行了非线性数值模拟计算, 并对隧道开挖支护的围岩位移、应力等进行了分析, 得到如下结论:
(1) 伴随施工步的进行, 隧道围岩应力较大区域主要集中在拱腰、拱角及中隔墙处, 施工中, 应及时施加初衬, 早喷锚、紧封闭, 改善应力集中现象。
(2) 在隧道施工开挖过程中, 中隔墙从浇筑至二衬施加结束, 一直承受较大的应力, 特别是两侧洞室中部开挖后, 中隔墙应力有较大增长, 因此, 中隔墙的施工质量是整个双连拱隧道施工的关键, 必须达到设计要求。
(3) 隧道开挖全过程中, 中隔墙部分均不能出现塑性屈服区, 以确保隧道的整体稳定。若出现屈服区时, 应增大中隔墙尺寸, 或增大材料的屈服强度。
(4) 在拆除临时支护后 (施工步7完成后) , 拱顶、拱腰处的沉降成倍增长, 施工测量时应将这些部位作为重点观测点, 定期测量沉降数据, 并绘制相应曲线, 做好沉降预测分析, 为隧道开挖提供参考依据。
参考文献
[1]蒋树屏, 胡学兵.云南扁平状大断面公路隧道施工力学相应数值模拟[J].岩土工程学报, 2004, 26 (2) .
[2]吴俊强, 刘永华, 李围.浅埋偏压连拱公路隧道施工数值模拟分析[J].公路交通科技, 2005 (4) .
[3]王勇, 徐干成, 乔春生.公路隧道数值模拟分析及衬砌安全性评价[J].现代隧道技术 (增刊) , 2004.
[4]刘涛, 沈明荣.连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (9) .
[5]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社, 1995.
[6]邓建, 朱合华, 丁文其.不等跨连拱隧道施工全过程的有限元模拟[J].岩土力学, 2004, 25 (3) .
[7]刘劲勇.连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[D].武汉:武汉理工大学.
[8]董学晟.水工岩石力学[M].北京:中国水利水电出版社, 2004.
[9]高谦, 乔兰.地下工程系统分析与设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.2.
浅埋偏压大跨度隧道 篇7
近年来, 铁路隧道建设突飞猛进, 进入了高速发展阶段。目前已通车运营铁路隧道达9000余座, 总长度已超过6000公里, 居世界第一。目前在建的铁路隧道有5000余座, 总长度超过了9000公里, 其中软岩隧道占了相当大的比例, 在施工中稍有不慎, 就有可能出现塌方、变形等工程事故。
在软岩铁路隧道施工中, 有的施工单位为了节省成本, 在一些钢构支撑中偷工减料;有的型钢支护前未进行混凝土初喷封闭围岩;喷射混凝土时拱脚处采用片石回填, 导致初支背后脱空;由于施工技术不当导致钢架扭曲变形。这些都是软岩隧道施工中常见的问题, 其直接后果就是造成隧道变形或塌方, 严重的还会造成人员伤亡。所以, 研讨和改善软岩环境下隧道开挖以及支护技术, 对引导隧道建设、提升工程效率、加速工程进程、减少工程成本都有着不可替代的作用。
本文将结合软岩隧道特点, 以刚建成通车的吉衡线铁路隧道工程为例, 重点分析中隔壁法、交叉中隔墙法、双侧壁导坑法、三台阶法这四种适合软岩隧道的施工技术及监控测量方法, 旨在通过严格的施工技术控制, 预防围岩塌方、隧道变形等工程事故, 确保隧道施工安全、有序地进行下去。
1 软岩隧道施工综述
1.1 软岩的概念
通常将抗压强度小于30MPa的围岩称为软岩, 抗压强度小于5MPa的围岩成为极软岩。如土质、泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。
1.2 软岩隧道工程特性
(1) 软岩强度低, 隧道开挖后地应力发生重分布, 围岩易受拉或受压产生塑性区, 在隧道施工中围岩和支护易发生变形, 若施工措施不当, 很容易造成支护侵限、塌方等事故。
(2) 软弱围岩隧道安全施工的核心是“控变、防坍”, 即控制围岩和支护变形、防止塌方。
2 工程概况
吉衡线铁路为单线电气化铁路, 起于江西吉安, 止于湖南衡阳。吉衡铁路线路总长374.872公里, 设计时速160公里。吉衡线铁路的排前二号隧道总长3公里, 进口段位于既有水塘底部, 进口段设计为V级围岩, 进口段隧道地质条件不良, 存在浅埋、软岩、富水量大等问题。在这种复杂的地质环境下, 严重拖慢了隧道的整体施工进度, 不能保证吉衡线铁路正常开通运营。
在这种地质条件下对浅埋、软岩中大跨度隧道的施工工艺及其技术进行系统的探讨, 有着巨大的现实意义和经济价值。
3 施工技术方案探索
洞身围岩的状况是确定施工技术方案的参考依据, 假如单就围岩的级别来挑选施工方法, 是不合理的。应对围岩级别、岩性、初始应力、地下水、不良地质环境、洞附近围岩风化状况进行权衡, 挑选出最佳的施工办法。
3.1 中隔壁法
中隔壁法主要用于地下水含量适当、工作面平稳的V级围岩内抑或围岩碎裂带中。施工工艺图见图1。
中隔壁法的施工优势:减少单次挖掘的跨度, 能够第一时间密闭隧道, 合理控制隧道的围岩形变, 挖掘流程少、工序简易。
而中隔壁法的施工劣势是:对拆卸中曲壁时间性要求较为严格, 中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集, 稳定性不足。
3.2 交叉中隔墙法
交叉中隔墙法大部分用于地下水含量较高、工作面不很稳固的V级围岩, 抑或地下水含量很高的围岩破碎带, 施工工艺图见图2。
交叉中隔墙法的优势是:降低单次挖掘跨度, 工作面小, 有助于稳固度的提升, 能够第一时间密闭隧道, 管控隧道变形。
其劣势是:对拆卸中曲壁时间要求较严格, 中曲壁以及初期支护节点的位置应力过度汇集, 施工工艺较为繁杂。
3.3 双侧壁导坑法
双侧壁导坑法因为分割断面小, 能够保证掌子面的平稳并合理管控隧道周围的松动范畴。先进的导坑能够探索出前面的地质状况, 遇到不良地质条件时能够在挖掘前进行防治, 但是当地质条件变化时, 变更工法较为艰难。
此外, 由于挖掘断面小, 大型器械的功能发挥有限, 施工情况并不是十分理想。该类办法适用于城市地下建筑, 对地表沉降的要求严谨的工程以及地质环境较差的地段。施工中台阶法、中壁法转换较为艰难, 掘进进度不是很理想。其施工工艺图见图3。
3.4 三台阶法
3.4.1 三台阶法适用于隧道围岩强度较好、少量地下水或无地下水的Ⅳ、Ⅴ级围岩, 抑或地下水含量较低的破碎带。施工工艺简图见图4。
3.4.2 三台阶法的特征
(1) 施工空间广阔, 能够引进大型机器设施, 作业面平行动工, 动工效率理想;一些软岩地带能够运用反铲挖掘机挖掘下台阶, 降低了对围岩的扰动频率。
(2) 在地质构造繁杂变换、软硬围岩相混淆的隧道施工中, 有助于施工模式的调节, 工程进度能够保证。
(3) 适用于相异跨度与多类断面, 不需要拆卸临时支护设备, 节约成本。
(4) 爆破施工能够分为多个作业面实施, 将集中爆破转换成分散爆破, 既不会频繁扰动围岩, 又恰如其分地使用了时间空间, 还增加了爆破临空面, 减少了炸药的损耗。
(5) 混凝土仰拱超前作业, 不但有利于初期支护以及早闭合成环承载, 对隧道中的作业和运输条件也进行了改良。
(6) 全断面一次施做防水层以及浇灌混凝土衬砌, 保证了混凝土衬砌的施工进度。
(7) 不用增添特殊设施, 成本少、操控简单。
3.4.3 三台阶法要求台阶长度不大于1倍洞径, 台阶高度根据机械设备确定。目前很多单位采取长台阶工法 (远大于1倍洞径) , 造成初期支护不能及时闭合, 仰拱不能紧跟, 二次衬砌不能及时施作, 造成未施工二次衬砌段的隧道出现塌方事故。
本文采取超前小导管支护、松动爆破开挖, 人工配合机械出渣。施工工序及步长见图5。
4 施工技术要点
4.1 施工原则
浅埋、大跨、软岩隧道遵照“管超前、短进尺、强支护、早成环、勤量测、紧跟衬砌”的施工原则, 依照围岩收敛测量状况以及对初期支护的加强, 对围岩变形作出应对, 在保障安全施工的基础上实施挖掘。
(1) 管超前:采用超前预支护措施, 通常采用超前小导管, 特殊底层或特殊条件采用大管棚或水平旋喷超前支护。
(2) 严注浆:利用超前管棚进行注浆加固地层。
(3) 短开挖:采用尽量短的开挖进尺。
(4) 强支护:尽可能早的施作初期支护, 以防止围岩出现变形。
(5) 早封闭:仰拱尽早封闭, 距掌子面的距离小于30~40m。
(6) 勤量测:做好洞内、地表的监测工作, 数据异常时及时上报。
(7) 超前探:进行超前地质预报和超前地质钻探, 超前探明前方地质状况。
(8) 严治水:处理好地表水和洞内水, 采取措施防止地表水连续流入洞内, 对地下水应超前引排必要时进行降水, 洞内积水及时排放。
4.2 超前支护、初期支护的数据分析
本隧道洞口利用准89mm大管棚, 洞内采取准42mm小导管超前注浆预支护;挖掘工程是环状挖掘预留核心土法;初期支护是全环H175型钢钢架、锁脚锚杆、系统锚杆、网喷混凝土等等。技术数据见表1。
4.3 环形开挖预留核心土法技术举措
洞口采取准89mm大管棚, 洞内采取准42mm小导管超前注浆预支护。浆液水灰比是 (1:1) - (0.6:1) ;注浆压力在0.6-1.5MPa之间。
隧道洞中的地质是全风化的变质砂岩以及砾岩, 该类岩石兼备土质以及岩石的工程特征。挖掘开始时———特别是解析“冒顶”倾塌原由时得出:这种岩石本体是土质, 尺寸巨大, 节理间隙大部分充塞了灰颜色或黑颜色的软泥;注浆后由浆液裹住注浆管壁;增加注浆压力以后, 少数水泥浆液渗透进裂隙, 无法达成预计目标。
所以, 进行超前支护, 要尽可能做好超前小导管, 采取短进尺环形挖掘方法, 在小导管的棚户下进行开挖掘进, 并第一时间架设H175型钢钢架、装设锁脚锚杆、系统锚杆以及对钢筋网焊接以后复喷混凝土, 构成强支撑初期支护。
小导管的外插角通常需要管控在10-15°, 长度在3-5m之间, 搭接长度是1.5-2m。当预留核心土土体不稳固的时候, 要在梯状核心土两端肩部的位置搭设超前小导管。
5 监控测量
在软岩中进行隧道的修建, 初期支护的收敛形变大, 围岩并不稳固, 在布置二次衬砌的条件下还可能产生衬砌开裂情况。所以, 应依照软岩的性质进行监督和控制, 预判围岩与支护构造的稳固程度以及作业状况, 明确二次衬砌与挖掘掌子面间的间距, 保证初期支护以及二次衬砌的稳定性。
依照《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》TB10108-2002的标准, 监控量测必须测量的内容是:洞内外测量、收敛量测、拱顶下沉量测以及浅埋隧道地表下沉量测。净空收敛根据围岩级别来设置, 利用收敛计量测, 拱顶和地表下沉利用水准仪量测。
因为在建隧道是软岩居多, 稳定情况不佳, 形变大, 利用小断面开挖并第一时间进行初期支护以后, 变形量依然较大。所以, 应增强初期支护的刚度以降低隧道收敛量, 提升隧道的稳固程度。
从监测状况来讲, 在建隧道初期支护利用H175型钢钢架喷射混凝土支护以后功效显著, 拱顶在临近隧道中线的位置沉降情况较为严重;在距隧道中线较远的位置中线沉降不大。地面的最大沉降地处隧道中线以及它的周围, 数值是20-25mm, 在可控范围之内。挖掘后第一时间密闭隧道底板有助于降低隧道收敛量, 围岩并未产生显著的流变变形。
6 进度控制
利用环形开挖预留核心土法进行隧道的施工, 加速大跨、软岩隧道施工进程的重要技术是加快对H175型钢的快速施工技术的研发。通过对H175型钢材料的运用, 每榀拱环形支撑钢架的装设需要8小时, 通过变更安装技术, 利用小规模器械等多类举措, 上断面环状挖掘支护每天可达到2-2.5循环, 挖掘进尺能够达到1.6-2m。
使用预留核心土法后, 从2009年6月动工, 隧道进口平均施工进度每月50.5m, 隧道出口围岩级别较好, 每月进度110m, 按两年的工期计算, 总体上完成了进度目标。
7 结束语
软弱围岩的抗压强度一般小于30MPa。开挖软岩隧道时, 如果不进行有效的超前探测, 施工措施不当, 施工中就容易出现变形、塌方等工程事故。排前二号隧道施工项目, 对施工技术的控制非常严格, 并且现场监控测量工作十分到位, 施工成本控制得当, 并且也获得了预期的社会效益和经济效益。
参考文献
[1]柳墩利.浅埋偏压段大断面隧道施工方案及施工工序优化[J].桂林理工大学学报, 2012, 32 (1) :77-81.
[2]于宝军.山区软岩大跨大断面四线铁路车站隧道二衬施工技术研究[J].铁道建筑技术, 2012 (11) :13-16, 40.
[3]何春保, 舒丽红.兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理和施工控制[J].铁道工程学报, 2014 (5) :68-73.
[4]王建鹏.高应力软岩在铁路隧道施工中的工程地质特性探讨[J].铁道标准设计, 2013 (9) :69-74.
[5]李国良, 刘志春, 朱永全, 等.兰渝铁路高地应力软岩隧道挤压大变形规律及分级标准研究[J].现代隧道技术, 2015, 52 (1) :62-68.
浅埋偏压大跨度隧道 篇8
改革开放以来, 我国公路隧道建设事业迅猛发展, 而且, 随着西部大开发战略的逐步实施, 我国高速公路建设又进入了一个新的大发展时期[1]。隧道的开挖跨度在不断变大, 大跨度浅埋隧道由于上覆盖层薄, 围岩稳定性很差, 衬砌受力比较复杂, 尤其二次衬砌承担较大荷载, 在这种情况下, 二次衬砌设计的是否合理不仅关系到隧道施工过程的安全, 而且对后期隧道运营管理也有很大影响。
1 工程概况
广乐高速公路某隧道设计为双向六车道, 时速120 km/h。该左线长565 m, 右线长640 m。该隧道穿越地段上覆粉质粘土及全强风化岩体, 土体松散, 强度及稳定性极差, 分布厚度3 m~20 m。YK97+515~ZK98+040段隧道穿越围岩为全~强风化砂岩夹中风化灰岩, 砂页岩风化强烈, 岩质软弱, 裂隙极发育, 强度及稳定性差;灰岩岩质较硬, 隐伏岩溶发育, 岩溶强烈发育。整体围岩岩体破碎, 强度分布不均匀, 灰岩层岩溶强烈发育。YK98+040~ZK98+165段隧道穿越岩体主要为砂页岩及煤层互层, 主要为全~强风化岩, 呈土状或半岩半土状, 结构松散, 强度及稳定性差, 施工开挖易坍塌及侧壁失稳。整个隧道围岩均划为Ⅴ级。设计采用两种衬砌:S5a与S5b, 其中S5a衬砌的开挖跨径达17.95 m, 高达12.2 m, 开挖面积为174.9 m2, 断面的扁平率为0.68。
2 围岩压力计算
根据隧道地勘报告, 隧道上覆围岩主要为粘土和全~强风化灰岩, 岩体松散、自稳性差, 其物理力学参数如表1所示。
根据《公路隧道设计规范》计算可以得知等效荷载高度为hq=16.524 m, 文中浅埋隧道分界Hp为[2]:
根据浅埋隧道的荷载计算方法, 对于特定的围岩级别, 隧道埋深接近浅埋隧道的分界高度时, 隧道结构承担的荷载最大。计算按最不利情况考虑, 即选取埋深为浅埋隧道的分界高度的隧道结构作为分析的对象。当隧道埋深为Hp时, 隧道开挖后, 由于洞顶的下沉及下沉岩柱两侧存在摩擦力, 使顶部岩土卸载, 两侧岩体加载[3]。计算的围岩的破裂角及侧压力系数如表2所示。
根据规范公式可求得垂直压力q和水平均布侧压力e:
其中, H为隧道埋深, m;h为隧道高度, m;l为侧压力系数;g为围岩重度, k N/m3。
该隧道为三车道隧道, 此处确定二次衬砌承担60%的土压力[4]。
3 二次衬砌内力计算
计算采取荷载—结构模型, 运用ANSYS10.0, 沿隧道纵向取1 m衬砌长度作为分析的对象。用二维梁单元 (Beam3) 模拟二衬, 二次衬砌厚0.6 m。用二维杆单元 (Link10) 模拟围岩对衬砌的约束效果, 设置Link10只受压不受拉 (gap单元) 。取围岩的弹性抗力K=150 MPa/m。
二次衬砌的力学参数如表3所示。
经计算, 二次衬砌的内力分布如图1~图3所示。
根据《公路隧道设计规范》的规定, 混凝土偏心受压构件按破坏阶段进行强度验算。由于篇幅有限, 本次只选取了具有代表性的单元进行分析, 各单元的内力值及安全系数如表4所示。
由计算可知, 二次衬砌拱顶、拱肩处受拉控制, 其安全系数较小, 分别为0.5和0.8, 小于规范要求的3.6的安全系数。由于断面扁平率小, 拱顶与拱肩截面的弯矩较大, 而轴力相对较小, 使得该处单元受轴力的偏心距大, 受拉区的混凝土首先破坏。墙脚与仰拱处受压控制, 安全系数为4.3和4.1, 可满足规范要求的2.4的安全系数。
选取拱顶单元45进行应力分析, 忽略剪力对截面正应力的影响, 截面的外侧边缘正应力计算如下:
正应力远大于C25混凝土的轴心抗拉设计值ft=1 270 k Pa, 需配筋以提高截面的承载能力。对拱顶单元45进行配筋计算:截面大偏心受压, 受压区高度x=187.2 mm, 相对受压区高度e=0.34, 需采用对称配筋As=As'=1 955 mm2;拱肩单元60为截面大偏心受压, 受压区高度x=245 mm, 相对受压区高度e=0.45, 采用对称配筋As=As'=936 mm2<rmin, bh=1 200 mm2, 故采用构造配筋;单元75与单元81截面为小偏心受压, 只需构造配筋As=As'=1 200 mm2。S5a衬砌采用5Φ25, As=As'=2 454 mm2, 二次衬砌结构是安全可靠的[6]。
4 结语
在大跨度浅埋隧道中, 由于初期支护施工质量的离散性, 二次衬砌的作用就显得更为重要。该隧道现已完成了浅埋段的施工, 从现场施工情况来看, 二次衬砌结构是安全可靠的, 可以承受现阶段的围岩荷载和施工荷载。本文按照《公路隧道设计规范》的相关要求, 对该隧道浅埋段二次衬砌进行了检算, 结果表明设计的截面尺寸和配筋率是安全合理的。从上述计算中可以得出如下结论:
1) 该隧道断面的扁平率为0.68, 隧道拱顶的弯矩最大, 且偏心距最大。截面的外侧边缘拉应力大大超过了混凝土抗拉设计强度, 这证明大跨度小扁平率的浅埋隧道应重点关注拱顶部位。这也从侧面验证了浅埋隧道的破坏一般从拱顶开始。同时拱肩处的负弯矩较大, 也应重点关注。
2) 二次衬砌结构大部分的截面为受压控制, 且安全系数一般较大, 均能满足规范的要求, 采用构造配筋即可。
3) 由于二次衬砌一般在初期支护变形稳定后施作, 本隧道所处的围岩并无显著的流变特性, 一般也不会有很大的残余变形。故本文按照规范考虑二次衬砌分担60%的土压力稍显偏大, 可以将二次衬砌的荷载分担比例适当降低。
参考文献
[1]夏宝祥, 程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述[J].地下空间, 2002 (12) :67-68.
[2]交通部.公路隧道设计规范[S].
[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社, 2004.
[4]交通部.公路隧道设计细则[S].
[5]王建宇.隧道设计中数值方法的思考[A].2008年全国隧道监控量测和反分析专题研讨会议论文[C].2008.